Модель Вселенной

gordon0030@yandex.ru

Архив выпусков | Участники

↓№ 202↑

22.01.2003 Хронометраж

49:16

Есть ли у нынешней Вселенной некая стройная «модель»? Что было до начала Большого Взрыва, и почему собственно этот Взрыв произошел? Удаляются ли галактики друг от друга или они стационарны в космическом пространстве? О видоизменении законов общей теории относительности, релятивистской теории гравитации и новой крупномасштабной модели Вселенной — академик РАН Самвел Григорян.

Участник:

Самвел Самвелович Григорян — действительный член РАН, профессор МГУ, сотрудник НИИ Механики МГУ

Обзор темы:

Понятие Вселенной носит уже скорее характер не столько астрономический или физический, сколько философский. Приборы наблюдения, которые за последние сто лет, безусловно, развились очень сильно и становятся все более совершенными (включая как непосредственные оптические приборы, так и приемы обработки спектрального анализа), все равно не могут дать нам сведений об объекте, который по самому своему определению бесконечен.

Мы до сих пор с определенностью не знаем, как возникла Вселенная, подвижна она или неизменна. Но, естественно, всегда возникали попытки как-то объяснить структуру Вселенной, представить ее физическую и математическую модель, исходя из существующих научных достижений. Следует отметить крупный вклад, который внес в свое время в изучение модели Вселенной русский ученый Александр Фридман (1888–1925). Он был механиком и геофизиком, но при этом применил к космологии общую теорию относительности Эйнштейна, что помогло ему создать теорию нестационарной Вселенной. Надо отметить, что применить свою теорию к модели Вселенной пытался и сам Эйнштейн. Однако он считал, что Вселенная замкнута на себе, пространственно конечна и стационарна во времени. Ее радиус кривизны, по его мнению, не должен был меняться. Но при решении мировых уравнений ему не удавалось получить устойчивую стационарную модель мира, пока он не ввел в уравнения дополнительный «космологический» член Λ (лямбда) — постоянную величину. Она имела необычный физический смысл силы отталкивания, призванный уравновесить взаимное тяготение масс Вселенной.

Фридман первым отказался от постулата о стационарности Вселенной. Он пожертвовал тысячелетней философской традицией, представлявшей мир незыблемым и устойчивым. Заново проанализировав систему из десяти мировых уравнений, он пришел к выводу: их решение не может быть единственным. Постулат стационарности Вселенной Фридман заменил на более общие утверждения об однородности и изотропности Вселенной (отчасти опираясь на взгляды немецкого философа 15 в. Николая Кузанского). В результате он пришел к идее возможности трех вероятностных моделей нестационарной Вселенной. Каждая определялась принимаемым интервалом значений Λ и знаком кривизны пространства. Две модели с положительным Λ описывали Вселенную с монотонно растущим радиусом кривизны. Вселенная оказывалась расширяющейся: в одном случае из точки, в другом — начиная с некоторого начального ненулевого объема. Время расширения ее до современного состояния Фридман условно назвал «временем, прошедшим от сотворения мира», отметив, что «это время может быть бесконечным». Третья модель представляла собой «периодическую» Вселенную: радиус кривизны ее пространства возрастал от нуля до некоторой величины за время, которое Фридман назвал «периодом мира», а затем вновь уменьшался до нуля. В работе «Мир как пространство и время» (1923) Фридман первым поднял проблему происхождения мира и «возраста» нестационарной Вселенной. В настоящее время подобный подход явно соотносится с теорией Большого взрыва, возраст которого оценивается в 12–15 млрд лет.

Только после 1945 г. Эйнштейн оценил идеи Фридмана и дал им высокую оценку. Затем теории Фридмана были развиты американским ученым Э. Хабблом. Он работал примерно тогда же, когда и Фридман, и его первое научное достижение было изложено в 1925 г. Изучая в начале туманность Андромеды, Хаббл открыл в ней типичную цефеиду, что дало возможность оценить примерное расстояние до нее (1 млн световых лет, по современным данным — ок. 2-х). Но поскольку это расстояние намного превышает размеры нашей Галактики, было доказано, что спиральные туманности являются самостоятельными звездными системами, расположенными на огромных расстояниях от Галактики, но (!) похожими на нее. Так было открыта теория «островных Вселенных», т. е. — наша Вселенная состоит из множества бесконечно повторяющихся подобий. То есть вновь проблема структуры Вселенной выходит за пределы собственно астрономии и небесной механики и принимает характер философский и даже теологический: если у нашего мира есть бесконечное число подобий, то как тогда объяснить мир о первотворении и подобии человека Богу? Повторялся ли этот первоакт множество раз и будет повторяться постоянно?

Но астрономия оставалась астрономией, и в 30-е годы Хаббл становится всемирно известным из-за его открытий в области структуры галактик. В статье 1926 г. «Внегалактические туманности» он рассматривал как возможную релятивистскую модель расширяющейся Вселенной, в которой скорость взаимного удаления галактик должна быть прямо пропорциональна расстоянию между ними. Он считал необходимым с помощью наблюдений убедиться в том, что у галактик с ростом расстояния растут и лучевые скорости. Хаббл составил список наиболее слабых галактик, которые предполагались наиболее далекими, и измерил их лучевые скорости. Для одной очень далекой галактики он получил по смещениям спектральных линий в красную сторону лучевую скорость 3779 км/сек. На основе этих и других данных Хаббл пришел к выводу, что «Далекие галактики уходят от нас со скоростью, пропорциональной удаленности от нас». Чем дальше галактика, тем больше ее скорость: v = H₀r. Коэффициент пропорциональности в этом законе был назван постоянной Хаббла, он сам оценивал ее значение в 500 км/сек.

Так, примерно, после многих уточнений, и выглядит теория расширяющейся Вселенной, довольно популярная и в наше время. То есть чем дальше от нас галактика, тем с большей скоростью она от нас удаляется.

Но, чтобы понимать структуру Вселенной, надо было в начале как-то представить себе ее элементы, которыми принято считать галактики.

Галактики. Уже с давних времен человек понимал, что «звездное небо над головой» не есть просто декорация, но что в необозримой дали скрываются такие же солнца, как наше и, может быть, другие планеты (может быть, даже населенные живыми существами). Было установлено, что астрономические тела обладают тенденцией группироваться в системы. Звезды могут образовывать пары, входить в состав звездных скоплений или ассоциаций. Крупнейшими объединениями звезд являются галактики. Более 90% галактик входят либо в небольшие группы, либо в скопления, в которых их насчитывают тысячи.

В окрестностях нашей Галактики в пределах полутора мегапарсек от нее расположены еще около 40 галактик, которые образуют Местную группу. Эта группа устойчива — ее члены удерживаются вместе за счет гравитации. Галактики и их группы распределяются в пространстве не равномерно, а образуют скопления, обычно — неправильной формы, которые состоят из сотен и тысяч отдельных звездных систем. Такие скопления называют регулярными: в них много эллиптических и линзовидных галактик и почти нет спиральных. В иррегулярных скоплениях много спиральных систем. Но общее число галактик в таких скоплениях значительно меньше по сравнению с регулярными.

Наивысшая плотность галактик наблюдается в центральных областях регулярных скоплений. Расстояния между звездными системами здесь сравнимы с их собственными размерами, и галактики часто сталкиваются. Именно в результате таких столкновений и слияний в центральных областях регулярных скоплений образуются гигантские эллиптические системы. Они «заглатывают» межгалактический газ и медленно проникающие в них мелкие галактики.

Пространство между галактиками заполнено газом, который разогрет до температуры более 10 млн кельвинов и излучает преимущественно в рентгеновском диапазоне. Концентрация его мала — в среднем один атом водорода на кубический дециметр, но общий объем огромен, поэтому полная масса газа сопоставима с суммарной массой всех галактик скопления. Охлаждаясь, газ может струями падать к центру скопления. Значительная часть межгалактического газа скоплений была выброшена миллиарды лет назад из молодых тогда галактик, в которых шло бурное звездообразование.

Расширяющаяся Вселенная. В 20 в. ученые отметили, что расстояния между звездными системами, не связанными друг с другом силами тяготения, постоянно увеличиваются. Т. е. сама Вселенная постоянно расширяется. В основе теоретический обоснований данной идеи лежат вычисления Эйнштейна, Фридмана и Хаббла. Еще во втором десятилетии 20 в. американский астроном В. Слайфер, исследовав спектры нескольких галактик, заметил, что у большинства из них спектральные линии смещены в красную сторону. Это означало, что они удаляются от нашей галактики со скоростями в сотни километров в секунду.

Означает ли это, что наша Галактика является центром, от которого и идет расширение? С точки зрения астрономов, такое возможно. Наблюдатель в любой точке Вселенной должен увидеть ту же картину: все галактики имели бы красные смещения, пропорциональные расстоянию до них. Само пространство как бы раздувается. Факт постоянного расширения Вселенной сейчас установлен твердо. Самые далекие из известных галактик и квазаров имеют такое большое красное смещение, что длины волн всех линий в их спектрах оказываются больше, чем у близких источников, в пять-шесть раз!

Из этого, естественно, вытекает логический вывод, что на заре своего существования все вещество Вселенной имело настолько высокую плотность, что ее трудно себе представить. Идею о расширении Вселенной из сверхплотного состояния ввел в 1927 г. бельгийский астроном Жорж Леметр, а предположение, что первоначальное вещество было очень горячим, впервые высказал Г. А. Гамов в 1946 г. Впоследствии эту гипотезу подтвердило открытие так называемого реликтового излучения. Оно осталось как эхо бурного рождения Вселенной, которое часто называют Большим Взрывом.

Но остается много вопросов. Что привело к образованию ныне наблюдаемой Вселенной? Почему произошел Взрыв? Почему пространство имеет три измерения, а время — одно? Как в стремительно расширяющейся Вселенной смогли появиться стационарные объекты — звезды и галактики? Что было до начала Большого Взрыва? Есть ли у нынешней Вселенной некая стройная «модель»?

Теория С. Григоряна. В современной космологии — науке о Вселенной в целом утвердились и почти канонизированы представления и результаты, основанные на построении и анализе простейших решений уравнений общей теории относительности (ОТО) — теории гравитации А. Эйнштейна и её модернизаций. В качестве существенного исходного предположения принимается т. н. Космологический Принцип — предложение об однородности и изотропии распределения параметров Вселенной по пространству. Решения получающихся при этом обыкновенных дифференциальных уравнений (решения А. А. Фридмана и подобные им) обладают рядом свойств, ставящих «трудные» вопросы — о конечности времени существования Вселенной, возможной пространственной её ограниченности (замкнутости), сингулярности её начального состояния, необходимости «взрывного» импульса, порождающего её расширение, формировании в ходе эволюции сосредоточенных масс материи странных (тоже сингулярных) образований — «черных дыр» и т. п. Все это — неустранимые «предсказания» решений, получаемых в рамках ОТО, и естественно, что делались и делаются попытки радикальных усовершенствований теории тяготения материи, которые бы давали более реалистические результаты при описании структуры и динамики Вселенной.

Сравнительно недавно академик А. А. Логунов и его ученики построили принципиально отличающуюся от ОТО теорию гравитационного поля (названную релятивистской теорией гравитации — РТГ), лишенную всех несуразностей предсказаний ОТО относительно крупномасштабной модели Вселенной, эволюции локализованных масс материи и т. п. В основу РТГ положено естественное представление о гравитационном поле как об обычном физическом поле, подобном электромагнитному и другим, «вложенном» в псевдоевклидово пространство Минковского, в котором все законы физики представляются единообразно и инвариантно относительно преобразований Лоренца. В книге Логунова есть раздел, посвященный исследованию задачи о крупномасштабной модели Вселенной в рамках РТГ. В этом исследовании, как и в других работах по современной космологии, в качестве исходного предположения принят Космологический Принцип и построено нестационарное решение для описания структуры и динамики Вселенной. Согласно этому решению, в крупномасштабном рассмотрении материя во Вселенной покоится, а нестационарность обусловлена переменностью во времени гравитационного поля — именно эту переменность и описывает количественно построенное решение. Оно лишено «неприемлемых» свойств решений Фридмана и их модернизаций: хотя параметры Вселенной и «пульсируют» строго периодически во времени, сингулярных состояний не возникает — плотность, температура, давление не обращаются в бесконечность, линейный масштаб не обращается в нуль т. п. Однако это решение имеет иной недостаток: согласно ему, как отмечено выше, гравитационное поле колеблется во времени, синхронно во всех точках, при покоящейся материи, но природа этого эффекта и его реальность в работе не обсуждаются. С. Григоряну этот эффект представляется неприемлемым для крупномасштабного описания Вселенной — это чисто теоретический, математический результат, возникший из-за того, что автор, следуя А. А. Фридману, принял предположение о нестационарности динамики Вселенной и, естественно, построил нестационарное решение. В этой связи напомню, что в свое время А. Эйнштейн пытался построить стационарное решение своих уравнений гравитации, и отсутствие такового вынудило его видоизменить уравнения ОТО — добавить в них Λ-слагаемые (впоследствии он эту модернизацию уравнений ОТО объявил своей крупнейшей ошибкой). Намерение А. Эйнштейна в этом вопросе было «естественным» — из исходных представлений о бесконечности в пространстве и неизменности во времени Вселенной (порожденных, конечно, наблюдением многими поколениями людей картины «неподвижных» звезд) следует попытка, прежде всего, построить именно неизменную во времени теоретическую картину Вселенной «в большом». Но в отличие от уравнений ОТО уравнения РТГ. А. Логунова допускают стационарное решение для модели однородной, изотропной Вселенной. Это решение строится элементарно, что и сделано в работе С. Григоряна.

Стационарное решение обладает очень важным свойством — оно бесконечно по времени и геометрии, пространство псевдоевклидово, однородно и относительно него материя покоится. Но это и есть естественное материальное пространство отсчета, в котором введена инерциальная система координат. Оно представляет собой конкретную и очень простую реализацию принципа Маха. Действительно, по этому решению, материя равномерно и неизменно во времени заполняет «пустое» пространство Минковского, все его части равноправны и «одинаковы», при мысленном перемещении вдоль него в любом направлении не наблюдается никаких изменений — везде есть масса, одинаково распределенная по геометрическому простиранию, и это происходит на любых расстояниях, т. е. не возникает проблемы «особого» осознания физической бесконечности (везде есть покоящаяся материя, относительно которой можно вести отсчет геометрических величин, к ней можно «привязать» систему координат, математически простирающуюся в бесконечность).

Вместе с тем построенная модель обладает особенностью, требующей обсуждения и постановки в связи с этим новой математической задачи. Речь идет о том, что в действительности материя находится в движении, а не покоится, и в «малых» масштабах построенная модель, конечно, непригодна для описания Вселенной. Её следует рассматривать лишь как модель, получающуюся математической операцией осреднения из более сложной, существенно неоднородной и нестационарной модели, в деталях описывающей Вселенную, заполненную разномасштабными сгустками материи, участвующими в нескончаемом процессе гравитационных сжатий и сменяющей их взрывной дезинтеграции и разлета материи. Наблюдаемые движения материи (звезд, галактик, разнокалиберных скоплений галактик) и ее неоднородное распределение в пространстве должны рассматриваться как флуктуации на осредненном однородном, изотропном, стационарном фоне. Динамика и структура Вселенной при таком «детальном», а не осредненном по громадным масштабам рассмотрении обрисована в общих чертах (принципиальных) в работе С. Григоряна «О строении и динамике Вселенной». Согласно этой работе, детальная динамика Вселенной представляет собой «борьбу» гравитации, стремящейся предельно сжать разного масштаба сгустки материи, с процессами «физики высоких энергий», протекающими в этих сгустках при их сильном сжатии, которые при относительно больших массах сгустков создают эволюцию завершающуюся взрывной дезинтеграцией сгустков и разлету их материи на значительные расстояния (процессы типа взрывов сверхновых звезд). «Большой взрыв», наблюдаемые ныне эффекты «разбегания» галактик и существование реликтового излучения — пример эволюции такого сгустка, правда, «очень» большого. Для этого примера в рамках РТГ возникает важная, пока не решенная задача о нестационарной эволюции «островной» системы. Стационарный случай такой системы изучен в работе Григоряна о модели Вселенной. Таким образом, материя во Вселенной представляет собой своеобразный «газ» из разномасштабных ее сгустков, сжимающихся гравитацией, разрушающихся от внутреннего взрыва и формирующихся вновь из «разлетевшегося» материала существовавших ранее сгустков. И вся эта «газовая» динамика разыгрывается на однородном, изотропном, стационарном фоне.

Но здесь возникает вопрос: будет ли совпадать стационарная модель, получаемая путем осреднения детальной модели по большим масштабам осреднения, с построенной выше моделью? Вопрос этот нетривиален, потому что математические соотношения РТГ существенно нелинейны, и при их формальном математическом осреднении с заданным масштабом осреднения из-за нелинейности будут возникать неувязки типарейнольдсовых напряжений в гидродинамике. Поэтому при построении модели в терминах средних величин возникнет проблема замыкания, как и в теории турбулентности в гидродинамике. Понятно, например, что в осредненной модели, в частности, должна фигурировать некоторая осредненная количественная мера движения материи, чего нет в построенной выше модели. Ценность последней в связи с этим — не детально количественная, а принципиальная: показана возможность именно в рамках РТГ построить стационарное, однородное, изотропное решение, с которым можно связать физическое псевдоэвклидово пространство, играющее роль абсолютного (вместо физического эфира), удовлетворяющее принципу Маха.

Решение проблемы замыкания, приводящее к построению модели в терминах средних величин, будет, вообще говоря, зависеть от масштаба осреднения. Для нашей космологической задачи обязательно должен получиться результат — независимость осредненной модели от масштаба осреднения, начиная с некоторого значения последнего. Только в этом случае можно будет для осредненной модели построить однородное, изотропное решение, типа приведенного выше, и связывать с ним физическое пространство отсчета. И будет ли такое решение осредненной модели совпадать по виду и в основных деталях окончательных формул с построенным выше — вопрос открытый. Получению ответа на этот вопрос, зависящему от возможности эффективного выполнения процедуры осреднения точных уравнений РТГ для модели Вселенной, могут содействовать следующие оценки, существенно важные и сами по себе. Говоря упрощенно — выводится формула, в которой связаны массы покоя гравитона и стационарная фоновая плотность вещества Вселенной. При этом учитывается, что согласно эмпирическому закону Хаббла, в очень большом сгустке материи продолжается интенсивное расширение и плотность сгустка продолжает бесконечно падать.

Таким образом, предложенная С. Григоряном модель Вселенной оказывается на стыке механики, теоретической физики и решения принципиальных математических задач.

Библиография

Вайнберг С. Первые три минуты: современный взгляд на происхождение Вселенной/Пер. с англ. М., 1981.

Григорян С. С. О динамике и структуре Вселенной//Проблемы современной механики. М., 1983. Ч. 1.

Григорян С. С. О крупномасштабной модели Вселенной//Доклады Российской Академии Наук. 2002. Т. 386. № 4.

Григорян С. С. О строении и динамике Вселенной//Труды математического института АН СССР. 1989. Т. 186.

Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Строение и эволюция Вселенной. М., 1975.

Логунов А. А. Теория гравитационного поля. М., 2000.

Логунов А. А., Мествиришвили М. А. Релятивистская теория гравитации//Теоретическая и математическая физика. Т. 61. М., 1984.

Мизнер Ч., Торн К., Уилер Дж. Гравитация/Пер. с англ. М., 1977. Т. 1–3.

Троицкий В. С. Экспериментальные свидетельства против космологии Большого Взрыва//Успехи физических наук. 1995. Т. 165. № 6.

Фаулер У. А. Экспериментальная и теоретическая ядерная физика: проблемы происхождения элементов/Пер. с англ. М., 1985.

Шкловский И. С. Звезды, их рождение и смерть. М., 1984.

Sandage A., Tamman G. Steps toward the Hubble constant//Astrophys. 1974. V. 1–5.

Тема № 202

Эфир 22.01.2003

Хронометраж 49:16

www.ntv.ru

Сайт управляется системой uCoz